Волоконно-оптические системы

|модуляцией | | | | | |

|интенсивности в | | | | | |

|другом | | | | | |

|С одним источником | | | | + | + |

|излучения | | | | | |

|С модовым разделением| | | + | | |

|С когерентным | + | + | + | | |

|излучением для обоих | | | | | |

|направлений с разными| | | | | |

|видами модуляции | | | | | |

5. Выводы по главе

В главе рассмотрены основополагающие принципы построения волоконно-

оптических систем передачи на городской телефонной сети.

На ГТС ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для

которых характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от

оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконно-

оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного

каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать

существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

В качестве линейного кода ВОСП ГТС используется код CMI, который

позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать

величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не

превышает двух – трех, что положительно сказывается на устойчивости работы

ВОСП.

Практически во всех волоконно-оптических системах передачи,

рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас

используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них

характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять

передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для

полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и

простота обеспечения модуляции.

В качестве приемников света в волоконно-оптических систем передачи на

ГТС применяются лавинные фотодиоды, достоинством которых является высокая

чувствительность. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна

жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная

стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно

фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры.

Передача оптических сигналов в ВОСП на ГТС осуществляется в

многомодовом режиме, поскольку соединительные линии относительно коротки и

дисперсионные процессы в оптических волокнах незначительны. На сегодняшний

день для городской телефонной сети используются кабели марки ОК имеющие

четыре или восемь ступенчатых многомодовых волокон.

В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет расти.

Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два

раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в

противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят

применение одноволконные ВОСП с оптическими разветвителями и со

спектральным уплотнением.

2 Волоконно-оптические датчики

Первые попытки создания датчиков на основе оптических волокон можно

отнести к середине 1970-х годов. Публикации о более или менее приемлемых

разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков появились во

второй половине 1970-х годов. Однако считается, что этот тип датчиков

сформировался как одно из направлений техники только в начале 1980-х годов.

Тогда же появился и термин "волоконно-оптические датчики" (optical fiber

sensors). Таким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая

область техники.

2.1 От электрических измерений к электронным

Конец X IX века можно считать периодом становления метрологии в ее

общем виде. К тому времени произошла определенная систематизация в области

электротехники на основе теории электромагнетизма и цепей переменного тока.

До этого физические величины измерялись главным образом механическими

средствами, а сами механические измерения распространены были

незначительно. Электрические же измерения ограничивались едва ли не

исключительно только электростатическими. Можно сказать, что метрология,

развиваясь по мере прогресса электротехники, с конца XIX века стала как бы

ее родной сестрой.

Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение нескольких

десятков лет, вплоть до второй мировой войны, получили распространение

электроизмерительные приборы, принцип работы которых основан на силах

взаимодействия электрического тока и магнитного поля (закон Био — Совара).

Тогда же эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышленность.

Особенность периода в том, что наука и техника, причастные к

электроизмерительным приборам, становятся ядром метрологии и измерительной

индустрии.

После второй мировой войны значительные успехи в развитии электроники

привели к громадным переменам в метрологии. В пятидесятых годах появились

осциллографы, содержащие от нескольких десятков до сотни и более

электронных ламп и обладающие весьма высокими функциональными

возможностями, а также целый ряд подобных устройств, которые стали широко

применяться в сфере производства и научных исследований. Так наступила эра

электронных измерений. Сегодня, по прошествии 30 лет, значительно

изменилась элементная база измерительных приборов. От электронных ламп

перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС), большим ИС (БИС). Таким

образом, и сегодня электроника является основой измерительной техники.

2.2 От аналоговых измерений к цифровым

Однако между электронными измерениями, которые производились в 1950-e

годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая разница. Суть ее

заключается в том, что во многие измерительные приборы введена цифровая

техника.

Обычно электронный измерительный прибор имеет структуру, подобную

изображенной на рис. 1. Здесь датчик в случае измерения электрической

величины (электрический ток или напряжение) особой роли не играет, и

довольно часто выходным устройством такого измерителя является индикатор.

Однако при использовании подобного прибора в какой-либо измерительной

системе сплошь и рядом приходится сталкиваться с необходимостью обработки

сигнала различными электронными схемами. Внедрение цифровой измерительной

техники подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает

непосредственно от чувствительного элемента датчика. Но пока это скорее

редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал имеет аналоговую форму, и

для него на входе блока обработки данных установлен аналого-цифровой

преобразователь (АЦП). Цифровая же техника используется главным образом в

блоке обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или в одном из

них.

[pic]

Рис. 2.1 - Типовая структура электронного измерителя

Основное преимущество использования цифровой техники в процессе

обработки данных — это сравнительно простая реализация операций высокого

уровня, которые трудно осуществимы с помощью аналоговых устройств. К таким

операциям относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обработка,

интегральные преобразования и др. При этом функциональная нагрузка на

чувствительный элемент датчика уменьшается и снижаются требования к

характеристикам элемента. Кроме того, благодаря цифровой обработке

становится возможным измерение весьма малых величин.

2.3 Цифризация и волоконно-оптические датчики

Важно отметить, что одним из этапов развития волоконно-оптических

датчиков было функциональное расширение операций, выполняемых в блоке

обработки данных датчика, путем их цифризации и, что особенно существенно,

упрощение операций нелинейного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках

линейность выходного сигнала относительно измеряемой физической величины

довольно часто неудовлетворительна. Благодаря же цифризации обработки эта

проблема теперь частично или полностью решается.

Нечего и говорить, что важный стимул появления волоконно-оптических

датчиков — создание самих оптических волокон, о которых будет рассказано

ниже, а также взрывообразное развитие оптической электроники и волоконно-

оптической техники связи.

2.4 Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон.

2.4.1 Лазеры и становление оптоэлектроники

Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась

на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии

радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция

освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из

этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут

оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным,

начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать

1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and

networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) описал

потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче

называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики

соединения оптического и электронного устройств.

С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до

конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники,

соизмеримую с электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров

способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные

характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан

самый первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Генерирующие

непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры,

которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали

выпускаться с 1970 г.

2.4.2 Появление оптических волокон

Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание

оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x

годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого

волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и

послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все

1970-е годы.

На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных

оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно

заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е

годы) уменьшились примерно на два порядка.

Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было

обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда

в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были

достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-

оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось

несколько неожиданным.

[pic]

Рис. 2.2 - Снижение минимальных потерь передачи для различных типов

оптических волокон

2.4.3 Одно- и многомодовые оптические волокна

[pic]

Рис. 2.3 - Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно

Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в

котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого

электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около

сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром

сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления

чуть выше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).

В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические

волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр

сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку

групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого

светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По

сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки

меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5...10 мкм) диаметр

сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение

в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное

применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации

(линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а

многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно

невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные

волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна.

В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн

падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично,

что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых

оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков

вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже

иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных

измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным

преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации

о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон.

Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое

волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике

применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за

небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за

исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические

волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина

используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах

оптической связи.

2.4.4 Характеристики оптического волокна как структурного элемента

датчика и систем связи

Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей

применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);

малый (около 125 мкм) диаметр;

малая (приблизительно 30 г/км) масса;

эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);

механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в

телефонии "переходных разговоров");

безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной

индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми

разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой

сети);

взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть

причиной искры);

высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см

выдерживает напряжение до 10000 B);

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям,

маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна,

как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских

сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый

диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически

неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три

свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют

наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие

свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и

малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко

не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с

современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей

волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу

исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое

волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может

играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае

используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра),

магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению,

деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических

системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление

считается скорее преимуществом, которое следует развивать.

Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают

характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.

2.5 Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их

применения

Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все.

Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве,

скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания,

Страницы: 1, 2, 3, 4